4.1液壓缸的分類(lèi)及特點(diǎn)4.2液壓缸主要組成部分的結(jié)構(gòu)4.3液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算4.4液壓缸常見(jiàn)故障及其排除方法習(xí)題與思考題第4章液壓缸4.1液壓缸的分類(lèi)及特點(diǎn)液壓缸按其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可分為活塞式、柱塞式和擺動(dòng)式三大類(lèi)。活塞式和柱塞式實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng),輸出推力和速度;擺動(dòng)式實(shí)現(xiàn)往復(fù)擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),輸出轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。液壓缸按其作用方式可分為單作用液壓缸和雙作用液壓缸兩大類(lèi)。單作用液壓缸利用液壓力控制液壓缸一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),而反方向運(yùn)動(dòng)則靠重力或彈簧力等來(lái)實(shí)現(xiàn);雙作用液壓缸則是利用液壓力來(lái)實(shí)現(xiàn)液壓缸正、反兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)。液壓缸按其使用壓力不同可分為中低壓、中高壓、高壓液壓缸三大類(lèi)。機(jī)床上一般采用中低壓液壓缸;建筑機(jī)械和飛機(jī)上一般采用中高壓液壓缸;壓力機(jī)上一般采用高壓液壓缸。液壓缸按其使用數(shù)目不同可分為單個(gè)使用液壓缸、組合使用液壓缸和與其它機(jī)構(gòu)組合使用液壓缸等,以完成特殊的功用。液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,工作可靠,制造容易,維修方便,因此在機(jī)床液壓系統(tǒng)及其它工業(yè)部門(mén)中應(yīng)用相當(dāng)廣泛。表4-1列出了各類(lèi)液壓缸的名稱、圖形符號(hào),并對(duì)它們進(jìn)行了簡(jiǎn)要的說(shuō)明。

1.活塞式液壓缸

1)雙作用雙活塞桿液壓缸雙作用雙活塞桿液壓缸的特點(diǎn)是:液壓缸兩腔的活塞桿直徑和活塞有效作用面積相等。因此,當(dāng)液壓缸兩腔的流量相同時(shí),活塞(或缸體)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的速度相等。在供油壓力相等的條件下,活塞在兩個(gè)方向上所產(chǎn)生的推力也相等。雙作用雙活塞桿液壓缸根據(jù)其活塞桿固定還是缸體固定又可分為實(shí)心雙活塞桿液壓缸和空心雙活塞桿液壓缸兩種(如圖4-1和圖4-3所示)。

圖4－1實(shí)心雙活塞桿液壓缸圖4-2實(shí)心雙活塞桿液壓缸的運(yùn)動(dòng)范圍圖4-3所示為空心雙活塞桿液壓缸結(jié)構(gòu)圖。它由壓蓋1、空心活塞桿2、端蓋4和15、密封圈5和9、導(dǎo)向套7、銷(xiāo)8、活塞10、缸體11及密封墊14等組成?；钊麠U固定在床身上,缸體由支架3和右蓋15與工作臺(tái)連接,動(dòng)力由缸體傳出。端蓋4和15用螺釘(圖中未示出)連接在套筒12上,通過(guò)半圓環(huán)13固定在缸體11上。壓力油經(jīng)活塞桿2的中心孔和徑向孔進(jìn)入液壓缸的右腔或左腔,推動(dòng)缸體帶動(dòng)工作臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。進(jìn)、出油口也可以安裝在缸體兩端,但要使用軟管連接。這種液壓缸使工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)范圍約等于活塞有效行程的兩倍(見(jiàn)圖4-4),所以其占地面積小,常用于中、大型機(jī)床上。圖4-3空心雙活塞桿液壓缸圖4-4空心雙活塞桿液壓缸的運(yùn)動(dòng)范圍雙活塞桿液壓缸的推力和速度計(jì)算如下:(4-1)式中:F——雙向推力(N);

A——活塞的有效作用面積(m2);

pi、po——液壓缸進(jìn)、回油壓力(Pa);

D、d——活塞和活塞桿的直徑(m)。(4-2)式中:v——液壓缸的雙向速度(m/s);

q——輸入液壓缸的流量(m3/s)。

2)雙作用單活塞桿液壓缸雙作用單活塞桿液壓缸的特點(diǎn)是:僅在液壓缸的一腔中有活塞桿,因此缸兩腔的有效面積不等,活塞桿直徑越大,有效面積相差越大。所以,當(dāng)輸入液壓缸兩腔的流量和壓力相同時(shí),液壓缸兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度和推力都不相等。單活塞桿液壓缸也有實(shí)心桿和空心桿兩種。圖4-5所示為定位或夾緊用的實(shí)心單桿液壓缸。這種液壓缸的行程一般都比較短,對(duì)活塞密封性的要求不高,結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單。為了充分利用液壓缸兩腔的有效作用面積,一般活塞桿較細(xì)。圖4-5實(shí)心單桿液壓缸圖4-6所示為液壓滑臺(tái)用空心單桿液壓缸的結(jié)構(gòu)圖。它由缸體3、活塞1、空心活塞桿4、支架2和6以及油管5等組成?？招幕钊麠U固定在床身上,缸體3通過(guò)支架2和6與滑臺(tái)連接。油管5裝在空心活塞桿4的中心,油液分別通過(guò)油管5和活塞桿4的內(nèi)孔進(jìn)入液壓缸的左腔和右腔,推動(dòng)缸筒帶動(dòng)滑臺(tái)往復(fù)運(yùn)動(dòng)。圖4-6空心單桿液壓缸雙作用單活塞桿液壓缸也有缸體固定和活塞桿固定兩種形式,它們的工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)范圍是相同的,都約等于活塞桿有效行程的兩倍,如圖4-7所示。圖4-7雙作用單活塞桿液壓缸運(yùn)動(dòng)范圍雙作用單活塞桿液壓缸的推力和速度分別計(jì)算如下。無(wú)桿腔進(jìn)油(如圖4-8(a)所示)時(shí),(4-3)式中:F1——無(wú)桿腔產(chǎn)生的推力(N);

A1、A2——無(wú)桿腔、有桿腔的有效工作面積(m2);

v1——無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度(m/s)。(4-4)圖4-8雙作用單活塞桿液壓缸計(jì)算簡(jiǎn)圖有桿腔進(jìn)油(如圖4-8(b)所示)時(shí),(4-5)(4-6)式中:F2——有桿腔產(chǎn)生的推力(N);

v2——有桿腔進(jìn)油時(shí)的運(yùn)動(dòng)速度(m/s)。當(dāng)輸入液壓缸兩腔的流量相等時(shí),液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度v2與v1之比稱為速比,以ψ表示:上式說(shuō)明:活塞桿越細(xì),則速比ψ越接近于1,即當(dāng)缸的兩腔輸入相同的流量時(shí),兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)速度相差不大;活塞桿越粗,則速比越大,即兩個(gè)方向的速度相差越大,承載能力也不同。當(dāng)單活塞桿液壓缸兩腔相互接通并同時(shí)通入壓力油時(shí),稱差動(dòng)連接,如圖4-8(c)所示。這種兩端同時(shí)通壓力油,利用活塞兩端面積差進(jìn)行工作的液壓缸叫做差動(dòng)液壓缸。(4-8)由上式可知,差動(dòng)連接時(shí)液壓缸的推力比非差動(dòng)連接時(shí)小。設(shè)差動(dòng)連接時(shí)活塞向右運(yùn)動(dòng)的速度為v3,則從有桿腔中排出的流量q′為差動(dòng)液壓缸兩腔的壓力是相等的,但由于無(wú)桿腔的有效工作面積大于有桿腔的有效工作面積,因此使活塞向右移動(dòng),從液壓缸有桿腔排出的油液也進(jìn)入無(wú)桿腔。這時(shí)液壓缸的推力為(4-9)上式整理后為由此可見(jiàn),差動(dòng)連接時(shí)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度比非差動(dòng)連接時(shí)大。如果要求差動(dòng)缸差動(dòng)連接的速度與向左運(yùn)動(dòng)的速度相等,也即使,則有由于這部分油液流入無(wú)桿腔,因此無(wú)桿腔的總流量為這時(shí)活塞直徑D和活塞桿直徑d有如下關(guān)系:(4-10)

雙作用單活塞桿液壓缸廣泛應(yīng)用于要求有慢速工作行程和快速進(jìn)、退的傳動(dòng)系統(tǒng)中。在需要快速進(jìn)、退的機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中,常采用差動(dòng)液壓缸以實(shí)現(xiàn)快進(jìn)-工進(jìn)-快退的工作循環(huán)。圖4-9無(wú)桿液壓缸

3)雙作用無(wú)活塞桿液壓缸圖4-9所示為雙作用無(wú)活塞桿液壓缸,也稱齒輪齒條式液壓缸。兩個(gè)活塞4用螺釘固定在齒條5的兩端,兩端蓋2和8通過(guò)螺釘、壓板和半環(huán)連接在缸體7上。當(dāng)壓力油從油口a進(jìn)入缸的左腔時(shí),推動(dòng)齒條活塞向右運(yùn)動(dòng),通過(guò)齒輪6的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)。液壓缸右腔的回油經(jīng)油口c排出。當(dāng)壓力油從油口c進(jìn)入右腔時(shí),齒條活塞向左移動(dòng),齒輪6反向回轉(zhuǎn),左腔的回油經(jīng)油口a排出?；钊男谐炭捎蓛啥松w上的螺釘1調(diào)節(jié)。

2.柱塞式液壓缸在缸體內(nèi)作相對(duì)往復(fù)運(yùn)動(dòng)的組件為柱塞的液壓缸稱為柱塞式液壓缸。圖4-10所示為一般外圓磨床中用作消除絲杠、螺母副間隙的柱塞式液壓缸,也稱閘缸。它由缸體1、柱塞2、鋼套3、鋼絲卡圈4等組成。壓力油從左端進(jìn)入缸內(nèi),推動(dòng)柱塞向右移動(dòng)。圖4-10柱塞式液壓缸結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖柱塞式液壓缸只能在壓力油的作用下產(chǎn)生單向運(yùn)動(dòng),如圖4-11所示,柱塞與工作臺(tái)相連,缸體固定在床身上。當(dāng)壓力油進(jìn)入缸體時(shí),柱塞帶動(dòng)工作臺(tái)做一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng),反方向運(yùn)動(dòng)則要靠自重或其它外力來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于只需向柱塞一側(cè)供壓力油,因此它是一種單作用式液壓缸。當(dāng)機(jī)床工作臺(tái)要求做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí),必須由兩只液壓缸來(lái)完成雙方向的驅(qū)動(dòng),如圖4-12所示。因此,雙向運(yùn)動(dòng)柱塞式液壓缸的體積和重量都比較大。圖4-11單向運(yùn)動(dòng)柱塞式液壓缸圖4-12雙向運(yùn)動(dòng)柱塞式液壓缸柱塞式液壓缸也有缸體固定和柱塞固定兩種形式,其運(yùn)動(dòng)范圍和單活塞桿液壓缸完全相同。柱塞既可以做成空心,也可以做成實(shí)心。柱塞式液壓缸以柱塞為主要部件,其柱塞外圓表面與缸體內(nèi)壁不接觸。因此，缸體內(nèi)孔只作粗加工或不加工,而只需對(duì)柱塞和與柱塞接觸的導(dǎo)向部分進(jìn)行精加工,這大大簡(jiǎn)化了缸體的加工工藝,故特別適用于行程較長(zhǎng)的場(chǎng)合,如導(dǎo)軌磨床和龍門(mén)刨床。行程特別長(zhǎng)的柱塞缸還可以在其缸體內(nèi)為柱塞設(shè)置輔助支承。(4-11)式中:d——柱塞的直徑(m)。柱塞的運(yùn)動(dòng)速度為(4-12)柱塞式液壓缸的推力為

3.增壓液壓缸增壓液壓缸又稱增壓器。在某些短時(shí)或局部需要高壓液體的液壓系統(tǒng)中,常用增壓液壓缸與低壓大流量泵配合使用,來(lái)獲得比液壓泵工作壓力高得多的壓力,以減少功率消耗,節(jié)省設(shè)備費(fèi)用。圖4-13所示為增壓液壓缸的工作原理圖,其中(a)圖代表單作用增壓缸,(b)圖代表雙作用增壓缸。單作用增壓缸由一個(gè)活塞缸和一個(gè)柱塞缸組合而成;雙作用增壓缸由一個(gè)活塞缸和兩個(gè)柱塞缸組合而成。當(dāng)?shù)蛪河蚿1推動(dòng)增壓缸的大活塞D時(shí),大活塞推動(dòng)與其連成一體的小柱塞d,則輸出壓力為p2的高壓液體。它們之間的關(guān)系為圖4－13增壓液壓缸工作原理圖(4-13)(4-14)式中:p1、p2——增壓缸的輸入壓力和輸出壓力(Pa);

q1、q2——增壓缸的輸入流量和輸出流量(m3/s);

K——增壓缸的增壓比,K=D2/d2,代表增壓能力。顯然,增壓缸的增壓能力是在降低有效流量的基礎(chǔ)上得到的,也就是說(shuō),增壓缸僅僅是增大輸出壓力,并不能增大輸出能量。單作用增壓缸在柱塞運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí),不能再輸出高壓液體,需將其退回左端位置,再向右行時(shí)才又輸出高壓液體,即只能斷續(xù)增壓。為了克服這一缺點(diǎn),可采用雙作用增壓缸,和其它元件組合,由兩個(gè)高壓端連續(xù)向系統(tǒng)供油,從而得到連續(xù)高壓。

4.串聯(lián)液壓缸在某些液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中,當(dāng)單個(gè)液壓缸推力不足、缸徑受空間位置限制而不能增大,但軸向長(zhǎng)度允許增加時(shí),可采用串聯(lián)液壓缸(即增力液壓缸)來(lái)增加輸出力。圖4-14所示為一種由兩個(gè)活塞缸串聯(lián)在一起的增力缸原理圖。當(dāng)壓力油進(jìn)入兩缸左腔時(shí),串聯(lián)活塞向右移動(dòng),兩缸右腔油液同時(shí)排出；反之,活塞左移。串聯(lián)液壓缸的推力(略去回油腔壓力)為(4-15)可見(jiàn),其推力為兩缸推力之和。圖4-14串聯(lián)液壓缸原理圖可見(jiàn),其速度相應(yīng)減小。上兩式中:

pi——油液的工作壓力(Pa);

D、d——活塞、活塞桿的直徑(m);

q——進(jìn)入增力缸的流量(m3/s)。

串聯(lián)液壓缸的右行速度為(4-16)

5.多位液壓缸在某些液壓操縱系統(tǒng)中,為了使工作機(jī)構(gòu)獲得多個(gè)不同位置,常用多位液壓缸來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖4-15所示為一種三位液壓缸的原理圖。它也是由兩個(gè)單活塞桿液壓缸組成的,1是主活塞,2是限位活塞,液壓缸分別有A、B、C和D四個(gè)油口,定位套3將缸分為兩部分。圖4-15(a)是主活塞1處于最右端的情況。此時(shí)A油口通壓力油,而B(niǎo)、C和D油口均接油箱,在壓力油的作用下,活塞被推向最右位置。圖4-15三位液壓缸原理圖

6.伸縮式液壓缸伸縮式液壓缸又稱多級(jí)液壓缸,它實(shí)質(zhì)上是由多個(gè)活塞(或柱塞)式液壓缸套裝而成的。其前一級(jí)的內(nèi)腔往往是后一級(jí)的缸體,常用于安裝空間受到限制而行程很長(zhǎng)的場(chǎng)合,縮入后軸向尺寸很短。伸縮式液壓缸可以是活塞式,也可以是柱塞式;可以是單作用式,也可以是雙作用式。圖4-16所示為活塞式雙作用伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)原理圖。當(dāng)壓力油通過(guò)油口A進(jìn)入B腔后,壓力油同時(shí)作用于第Ⅰ級(jí)和第Ⅱ級(jí)活塞上。由于油腔E經(jīng)油口F與油箱連通,而負(fù)載與第Ⅰ級(jí)活塞桿相連,因此第Ⅱ級(jí)活塞連同第Ⅰ級(jí)活塞一起在較低的壓力推動(dòng)下克服外負(fù)載向外伸出(圖4-16(a))。當(dāng)?shù)冖窦?jí)活塞運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)后(圖4-16(b)),第Ⅱ級(jí)活塞則在較高壓力作用下繼續(xù)外伸,直到行程終點(diǎn)(圖4-16(c))。在第Ⅱ級(jí)活塞外伸時(shí),回油腔C的油液經(jīng)第Ⅰ級(jí)活塞的環(huán)形槽D,由油口F回到油箱。圖4-16活塞式雙作用伸縮缸如果改變通油方向,由F口進(jìn)入壓力油,則第Ⅱ級(jí)活塞先縮回,當(dāng)與第Ⅰ級(jí)活塞桿接觸后,兩級(jí)活塞一道縮回,B腔油液經(jīng)A口回到油箱。在圖4-16所示結(jié)構(gòu)中,第Ⅰ級(jí)活塞為套筒式,它既是第Ⅰ級(jí)活塞,又是第Ⅱ級(jí)活塞的缸體。圖4-17所示為柱塞式單作用伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)原理圖。圖4-17柱塞式單作用伸縮液壓缸的結(jié)構(gòu)原理圖若液壓缸負(fù)載恒定,當(dāng)壓力油通入缸體的左腔時(shí),由于第一級(jí)柱塞面積最大,因此油壓上升至p1后首先伸出,一直伸到頂點(diǎn);接著,油壓升至p2,第二級(jí)柱塞伸出……因此,柱塞由大至小逐次伸出,油壓也逐漸上升。由于在柱塞伸出時(shí)有效面積逐次減小,因此當(dāng)輸入流量一定時(shí),伸出速度逐次加快。當(dāng)油口接回油箱時(shí),柱塞在外負(fù)載或自重作用下由小至大逐個(gè)縮回。在此結(jié)構(gòu)中,負(fù)載與最小面積的柱塞直接相連。伸縮式液壓缸的壓力及速度公式分別為式中:F——液壓缸的外負(fù)載(N);

pi——第i級(jí)柱塞(或活塞)伸出時(shí)液壓缸內(nèi)的壓力(Pa);

Di——第i級(jí)柱塞的直徑(m);

vi——第i級(jí)柱塞伸出時(shí)液壓缸的速度(m/s);

q——進(jìn)入液壓缸的供油流量(m3/s)。(4-17)綜上所述,伸縮式液壓缸具有如下特點(diǎn):

(1)伸縮式液壓缸的工作行程可以相當(dāng)大,不工作時(shí)整個(gè)缸的長(zhǎng)度可以縮得較短。

(2)伸縮式液壓缸逐個(gè)伸出時(shí),有效工作面積逐次減小。因此,當(dāng)輸入流量相同時(shí),外伸速度逐次增大;當(dāng)負(fù)載恒定時(shí),液壓缸的工作壓力逐次增高。

(3)單作用伸縮液壓缸的外伸靠油壓,內(nèi)縮依靠自重或負(fù)載作用。因此,多用于缸傾斜或垂直放置的場(chǎng)合。

7.擺動(dòng)液壓缸擺動(dòng)液壓缸也稱擺動(dòng)液壓馬達(dá),它可直接輸出轉(zhuǎn)矩而不需要轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu),其擺動(dòng)角度小于360°。擺動(dòng)式液壓缸可以分為單葉片式和雙葉片式兩種。圖4-18所示為單葉片擺動(dòng)液壓缸的結(jié)構(gòu)圖。它由缸體5、左右支承盤(pán)7、左右端蓋8、定子3、回轉(zhuǎn)葉片6、花鍵軸套4等主要零件組成。定子3由螺釘和圓柱銷(xiāo)固定在缸體上,回轉(zhuǎn)葉片6通過(guò)螺釘與花鍵軸套4連成一體。為防止泄漏,定子內(nèi)側(cè)與葉片外側(cè)各嵌有一個(gè)密封片2,并且由彈簧片1將密封片壓緊,以保證密封片與花鍵軸套或缸體內(nèi)側(cè)的密封。支承盤(pán)7、端蓋8和缸體間用螺釘固定在一起。端蓋8內(nèi)裝有密封圈,以防止油液外漏。圖4-18單葉片擺動(dòng)液壓缸的結(jié)構(gòu)圖當(dāng)壓力油進(jìn)入孔a時(shí),推動(dòng)葉片連同花鍵軸套作逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)而輸出轉(zhuǎn)矩,葉片另一邊的回油從孔b排出。葉片外圓兩端的三角形小槽c起緩沖作用,因?yàn)楫?dāng)葉片接近定子時(shí),回油必須經(jīng)槽中擠出。葉片兩側(cè)的徑向槽主要是為了便于啟動(dòng)。圖4-19(a)所示為單葉片擺動(dòng)液壓缸的原理圖。當(dāng)壓力油從左上方油口進(jìn)入缸體時(shí),葉片在壓力油的作用下帶動(dòng)葉片安裝軸順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),回油由缸體的左下方油口流出。圖4-19(b)所示為雙葉片擺動(dòng)液壓缸的原理圖。當(dāng)壓力油從右上方及左下方進(jìn)入缸體時(shí),兩個(gè)葉片在壓力油的作用下沿順時(shí)針?lè)较蜣D(zhuǎn)動(dòng),其擺動(dòng)角度小于180°,回油則從缸體左上方和右下方流出。圖4-19擺動(dòng)液壓缸的原理圖擺動(dòng)液壓缸的理論輸出轉(zhuǎn)矩和回轉(zhuǎn)角速度為(4-19)(4-20)式中:Δp——進(jìn)、出油口壓力差(Pa);

D、d——葉片的頂部及根部直徑(m);

b——葉片的寬度(m);

z——葉片數(shù);

q——進(jìn)入擺動(dòng)缸的流量(m3/s)。擺動(dòng)液壓缸一般適用于中、低壓場(chǎng)合。與單葉片相比,雙葉片擺動(dòng)液壓缸的擺動(dòng)角度小,但在同樣的結(jié)構(gòu)尺寸及輸油壓力相等時(shí),其轉(zhuǎn)矩增大一倍,且具有徑向力平衡的特點(diǎn)。

1.缸體組件缸體與端蓋的連接稱為缸體組件。依據(jù)液壓缸工作壓力、缸體材料和工作條件的不同,缸體組件的結(jié)構(gòu)形式有好多種。表4-2所示為幾種目前常用的缸體與端蓋的連接形式。在機(jī)床中,當(dāng)工作壓力不高時(shí),常采用鑄鐵缸體,它與端蓋多用法蘭連接,如表4-2(a)、(b)所示。4.2液壓缸主要組成部分的結(jié)構(gòu)這種結(jié)構(gòu)易于加工和裝拆,但外形尺寸較大。當(dāng)工作壓力較高、缸體材料用無(wú)縫鋼管時(shí),如仍采用法蘭連接,則鋼管端部要焊上法蘭盤(pán)(表4-2(c)),這將使工藝過(guò)程復(fù)雜。因此,常采用半環(huán)連接,如表4-2中的(g)、(h)、(i)所示,半環(huán)嵌于缸體環(huán)槽內(nèi),經(jīng)螺釘或卡圈將端蓋壓緊在缸體上。這種連接形式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,裝拆方便,但缸體在開(kāi)環(huán)槽后強(qiáng)度削弱。在外徑尺寸受限制時(shí),可采用內(nèi)半環(huán)連接(表4-2(h)、(i)),這種連接方式結(jié)構(gòu)緊湊,重量輕,但安裝密封圈時(shí)有可能被環(huán)槽邊緣擦傷。表4-2(d)、(e)、(f)所示為采用螺紋連接的形式,其端蓋具有重量輕、外徑小的優(yōu)點(diǎn)。但端部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工藝要求較高,裝拆時(shí)要使用專(zhuān)用工具,擰端蓋時(shí)有可能把密封圈擰壞,因此機(jī)床上應(yīng)用不多。拉桿連接(表4-2(j))的端蓋具有加工和裝配方便的優(yōu)點(diǎn),但外徑尺寸和重量最大,通常只用于較短的液壓缸。焊接連接(表4-2(k))結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,尺寸小,但缸體有可能變形,焊接后缸體不易加工。

2.活塞組件活塞和活塞桿的聯(lián)接件稱為活塞組件?；钊突钊麠U的連接方式很多,機(jī)床上常見(jiàn)的有錐銷(xiāo)連接，如圖4-1所示。錐銷(xiāo)連接一般用于雙活塞桿液壓缸的活塞和活塞桿的連接,對(duì)于輕載的磨床更為適用。單活塞桿液壓缸常采用螺紋連接,如表4-3(a)、(b)所示,但螺母必須鎖緊,以免工作時(shí)發(fā)生松動(dòng)。螺紋連接不僅在機(jī)床上常見(jiàn),在工程機(jī)械上應(yīng)用也較多。在高壓大負(fù)載場(chǎng)合,特別是在工作設(shè)備振動(dòng)較大的情況下,活塞桿會(huì)因被車(chē)削螺紋而削弱,鎖緊也會(huì)發(fā)生松動(dòng),這時(shí)螺紋連接常被半環(huán)連接形式所替代,如表4-3(c)、(d)所示?；钊麠U上切了一個(gè)環(huán)形槽,槽內(nèi)放置兩個(gè)半環(huán),用以?shī)A緊活塞,半環(huán)用軸套套住,軸套又用彈簧卡圈擋住。這種連接常用于液壓機(jī)或工程機(jī)械中。對(duì)于小直徑液壓缸,也可將活塞和活塞桿做成整體機(jī)構(gòu)。

3.緩沖裝置

液壓缸一般都設(shè)有緩沖裝置,特別是工作機(jī)構(gòu)質(zhì)量較大、運(yùn)動(dòng)速度較高(v>12m/min)時(shí),為了防止活塞在行程終點(diǎn)與缸蓋或缸底發(fā)生機(jī)械碰撞,引起沖擊、噪聲,甚至造成液壓缸或被驅(qū)動(dòng)件的破壞,因此可在缸內(nèi)設(shè)置緩沖裝置。液壓缸的緩沖裝置一般都是利用對(duì)油液的節(jié)流作用來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)活塞(或缸體)運(yùn)動(dòng)到終點(diǎn)時(shí),活塞上的凸肩將回油通道逐漸遮蓋,形成節(jié)流間隙,建立背壓,以平衡慣性力,達(dá)到緩沖目的。圖4-20(a)所示為一種環(huán)狀間隙緩沖裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。它由活塞上的圓柱形凸臺(tái)A和液壓缸端蓋上的凹腔組成。當(dāng)活塞將要到達(dá)行程終點(diǎn)使凸臺(tái)A進(jìn)入凹腔時(shí),封閉在活塞與端蓋間的油液只能從環(huán)狀間隙δ中擠壓出去。這樣,活塞就受到一個(gè)很大的阻力,使運(yùn)動(dòng)速度減慢,從而起到緩沖作用。這種緩沖裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,開(kāi)始作用時(shí)背壓腔中引起的壓力較高,緩沖效果顯著，隨著活塞運(yùn)動(dòng)速度減小,緩沖效果逐漸減弱,因而實(shí)現(xiàn)減速所需的行程較長(zhǎng)。因此,這種形式只適用于運(yùn)動(dòng)件慣性不大、運(yùn)動(dòng)速度不高的場(chǎng)合。圖4-20(b)所示為凸臺(tái)A是圓錐形的緩沖裝置,當(dāng)凸臺(tái)A進(jìn)入凹腔中時(shí),間隙由大變小,使得活塞在整個(gè)緩沖過(guò)程中,作用比較均勻。圖4-20(c)所示為一種節(jié)流口可變的緩沖裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。它是在凸臺(tái)A上開(kāi)有一條或幾條軸向三角形節(jié)流槽,將液壓缸的油口開(kāi)在適當(dāng)位置上，當(dāng)活塞向左啟動(dòng)時(shí),壓力油進(jìn)入液壓缸,推動(dòng)活塞運(yùn)動(dòng)。當(dāng)活塞右行至接近液壓缸的端蓋時(shí),活塞與端蓋間的油液只能經(jīng)軸向三角槽流出,因而使活塞受到制動(dòng)作用。這種緩沖裝置也能實(shí)現(xiàn)緩沖過(guò)程中節(jié)流口由大變小的要求,從而使緩沖作用均勻,沖擊力減小,但制動(dòng)的快慢無(wú)法調(diào)節(jié)。圖4-20(d)所示為一種節(jié)流口可調(diào)式緩沖裝置的結(jié)構(gòu)原理圖。它既有凸臺(tái)A和凹腔,還有單向閥D,而且在液壓缸端蓋上還裝有錐形節(jié)流閥C。當(dāng)活塞右行至接近端蓋使凸臺(tái)A進(jìn)入凹腔后,則活塞與端蓋間的油液須經(jīng)錐形節(jié)流閥C流出,回油阻力增大,形成緩沖液壓阻力,因而使活塞運(yùn)動(dòng)速度減慢,實(shí)現(xiàn)制動(dòng)緩沖。這種緩沖裝置可以根據(jù)負(fù)載情況來(lái)調(diào)節(jié)節(jié)流閥開(kāi)口的大小,以改變回油阻力的大小,從而改變緩沖效果,因此應(yīng)用范圍較廣。當(dāng)活塞反向啟動(dòng)時(shí),油液由單向閥D進(jìn)入B腔,使活塞迅速啟動(dòng)。圖4-20液壓缸的緩沖裝置(a)圓柱形環(huán)隙式;(b)圓錐形環(huán)隙式;

4.排氣裝置液壓缸在安裝過(guò)程中或長(zhǎng)期停止使用后會(huì)滲入空氣,油液中也會(huì)混入空氣。由于氣體的可壓縮性較大,因此必將直接影響運(yùn)動(dòng)的平穩(wěn)性,引起液壓缸在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生爬行和噪聲,當(dāng)壓力增大時(shí)還會(huì)產(chǎn)生絕熱壓縮而造成溫度局部升高等一系列不正?，F(xiàn)象。圖4-21液壓缸的放氣孔因此,在設(shè)計(jì)液壓缸時(shí)必須考慮空氣的排除。對(duì)于要求不高的液壓缸往往不設(shè)專(zhuān)門(mén)的排氣裝置,而是利用空氣比較輕的特點(diǎn)將進(jìn)、出油口布置在缸體的最高處將氣帶走(圖4-1)。如不能在最高處設(shè)計(jì)油口時(shí),可在最高處設(shè)置如圖4-21所示的放氣孔1。對(duì)速度穩(wěn)定性要求較高的機(jī)床液壓缸和大型液壓缸,則需要設(shè)置排氣裝置。排氣裝置通常有兩種形式。一種是在液壓缸兩端的最高處各裝一只排氣塞,其結(jié)構(gòu)如圖4-22所示。開(kāi)車(chē)時(shí),打開(kāi)排氣塞,使液壓缸空載全行程往復(fù)運(yùn)動(dòng)數(shù)次,則液壓缸內(nèi)的空氣便和油液一起通過(guò)排氣塞錐部縫隙和小孔排出；待空氣排凈后,關(guān)死排氣塞。另一種是用排氣閥排氣。排氣閥的工作原理如圖4-23所示。排氣閥上裝有三根導(dǎo)管,其中兩根分別與液壓缸兩腔相通,另一根與油箱接通。在系統(tǒng)開(kāi)始工作前,首先打開(kāi)排氣閥,讓液壓缸空載全行程往復(fù)數(shù)次,直至空氣排凈后關(guān)閉排氣閥。圖4-22排氣圖4-23排氣閥

1.設(shè)計(jì)依據(jù)和步驟液壓缸是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的執(zhí)行元件,它與主機(jī)和主機(jī)上的機(jī)構(gòu)有著直接的聯(lián)系,對(duì)于不同的機(jī)種與機(jī)構(gòu),液壓缸具有不同的用途和工作要求。因此,在設(shè)計(jì)前要做好調(diào)查研究,備齊必要的原始資料和設(shè)計(jì)依據(jù),其中包括:4.3液壓缸的設(shè)計(jì)計(jì)算

(1)主機(jī)的用途和工作條件;

(2)工作機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、負(fù)載情況、行程大小和動(dòng)作要求;

(3)液壓系統(tǒng)所選定的工作壓力和流量;

(4)有關(guān)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)規(guī)范等。液壓缸的額定壓力、往復(fù)運(yùn)動(dòng)速比以及缸體內(nèi)徑、外徑、活塞桿直徑和進(jìn)出油口連接尺寸等基本參數(shù),在液壓缸標(biāo)準(zhǔn)中都有相應(yīng)的規(guī)定。液壓缸的設(shè)計(jì)內(nèi)容和步驟大致如下:

(1)液壓缸類(lèi)型和各部分結(jié)構(gòu)形式的選擇。

(2)基本參數(shù)的確定。基本參數(shù)包括液壓缸的工作負(fù)載、工作速度和速比、工作行程和導(dǎo)向長(zhǎng)度、缸體內(nèi)徑、缸的長(zhǎng)度及活塞桿直徑等。

(3)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算和驗(yàn)算。其中包括缸體壁厚、外徑和缸底厚度的強(qiáng)度計(jì)算，活塞桿強(qiáng)度和穩(wěn)定性驗(yàn)算以及各部分連接結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算。

(4)導(dǎo)向、密封、防塵、排氣和緩沖等裝置的設(shè)計(jì)。

(5)整理設(shè)計(jì)計(jì)算書(shū),繪制裝配圖和零件圖。應(yīng)當(dāng)指出,對(duì)于不同類(lèi)型和結(jié)構(gòu)的液壓缸其設(shè)計(jì)內(nèi)容必然有所不同,而且各參數(shù)間往往具有各種內(nèi)在聯(lián)系,需要綜合考慮、反復(fù)驗(yàn)算才能獲得比較滿意的結(jié)果。所以,設(shè)計(jì)步驟也不是固定不變的。

2.基本參數(shù)的確定

1)工作負(fù)載與液壓缸的推力液壓缸的工作負(fù)載FR是指工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷情況下,以一定速度啟動(dòng)時(shí)對(duì)液壓缸產(chǎn)生的總阻力。即(4-21)式中:Fl——工作機(jī)構(gòu)的荷重及自重等對(duì)液壓缸產(chǎn)生的作用力(N);

Ff——工作機(jī)構(gòu)在滿負(fù)荷下啟動(dòng)時(shí)的靜摩擦力(N);

Fg——工作機(jī)構(gòu)滿負(fù)荷啟動(dòng)時(shí)的慣性力(N)。液壓缸的推力F應(yīng)等于或略大于它工作時(shí)的總阻力。

2)運(yùn)動(dòng)速度和速比液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度與其輸入流量和活塞、活塞桿的面積有關(guān)。如果工作機(jī)構(gòu)對(duì)液壓缸運(yùn)動(dòng)速度有一定要求時(shí),則應(yīng)根據(jù)所需的運(yùn)動(dòng)速度和已選定的泵的流量來(lái)確定缸徑。如果對(duì)運(yùn)動(dòng)速度沒(méi)有要求,則根據(jù)已選定的泵和缸徑來(lái)確定工作速度。如果液壓缸對(duì)推力和速度都有要求時(shí),則根據(jù)由推力求出的缸徑和運(yùn)動(dòng)速度來(lái)選擇泵。下面，以單活塞桿液壓缸為例來(lái)確定其工作速度。當(dāng)無(wú)桿腔進(jìn)油時(shí),活塞或缸體的運(yùn)動(dòng)速度為前述式(4-4):當(dāng)有桿腔進(jìn)油時(shí),活塞或缸體的運(yùn)動(dòng)速度為前述式(4-6)：其往復(fù)運(yùn)動(dòng)速比為前述式(4-7)：由此得缸體內(nèi)徑為(4-22)

3)缸體內(nèi)徑

(1)按推力F計(jì)算缸體內(nèi)徑D。在液壓系統(tǒng)給定工作壓力后,應(yīng)保證液壓缸具有足夠的推力來(lái)驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載。這里以單活塞桿液壓缸為例，來(lái)說(shuō)明應(yīng)滿足的關(guān)系式。當(dāng)液壓缸以推力驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載時(shí),則壓力油輸入無(wú)桿腔,根據(jù)式(4-3),由FR=F1可知式中:FR——液壓缸的工作負(fù)載(N);

pi、po——液壓缸的進(jìn)油壓力和回油壓力(Pa);

d——活塞桿的直徑(m)。當(dāng)液壓缸以拉力驅(qū)動(dòng)工作負(fù)載時(shí),則壓力油輸入有桿腔,根據(jù)式(4-6),由FR=F2知:這時(shí)缸體的內(nèi)徑為(4-23)計(jì)算缸徑時(shí),活塞桿直徑d可選取有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)推薦值,然后代入上兩式計(jì)算。缸體的內(nèi)徑D應(yīng)取式(4-22)和(4-23)計(jì)算值中較大的一個(gè),然后按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中所列的液壓缸的內(nèi)徑系列圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。圓整后,液壓缸的工作壓力應(yīng)作相應(yīng)的調(diào)整。

(2)按運(yùn)動(dòng)速度計(jì)算缸體內(nèi)徑D。當(dāng)液壓缸的運(yùn)動(dòng)速度有要求時(shí),可根據(jù)液壓缸的流量q計(jì)算缸體內(nèi)徑D。對(duì)無(wú)活塞桿腔,當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度為v1,進(jìn)入液壓缸的流量為q1時(shí),(4-24)(4-25)

對(duì)有活塞桿腔,當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度為v2,進(jìn)入液壓缸的流量為q2時(shí),同理,缸體內(nèi)徑D應(yīng)按較小的一個(gè)圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。

(3)推力F與運(yùn)動(dòng)速度v同時(shí)給定時(shí),缸體內(nèi)徑D的計(jì)算。如果液壓系統(tǒng)中液壓泵的類(lèi)型和規(guī)格已定,則液壓缸的工作壓力和流量便為已知,此時(shí)可先根據(jù)推力計(jì)算內(nèi)徑,然后校核其工作速度。當(dāng)計(jì)算速度與要求相差較大時(shí),建議重新選擇不同規(guī)格的液壓泵。由前幾章介紹已知,可供選擇的液壓泵種類(lèi)很多,不同液壓泵有不同的額定值,其液壓缸的工作壓力p應(yīng)不超過(guò)液壓泵的額定壓力與系統(tǒng)總壓力損失之差。

4)活塞桿直徑確定活塞桿直徑時(shí),通常先從滿足速度或速比的要求來(lái)選擇,然后再校核其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,必要時(shí)還需進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。由式(4-7)可知,單活塞桿液壓缸的往復(fù)速比為:所以(4-26)式中,ψ值可根據(jù)系統(tǒng)工作需要或按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)所推薦的速比系列,根據(jù)不同的壓力等級(jí)來(lái)選擇。

5)液壓缸長(zhǎng)度液壓缸的長(zhǎng)度L根據(jù)所需最大工作行程長(zhǎng)度而定,一般該長(zhǎng)度不大于缸體內(nèi)徑的20～30倍。

6)最小導(dǎo)向長(zhǎng)度的確定當(dāng)活塞桿全部外伸時(shí),從活塞支承面中點(diǎn)到導(dǎo)向套滑動(dòng)面中點(diǎn)的距離稱為最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H(見(jiàn)圖4-24)。如果導(dǎo)向長(zhǎng)度過(guò)小,將使液壓缸的初始撓度(間隙引起的撓度)增大,影響液壓缸的穩(wěn)定性。因此,設(shè)計(jì)時(shí)必須保證有一定的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度。圖4-24液壓缸結(jié)構(gòu)尺寸圖對(duì)一般的液壓缸,其最小導(dǎo)向長(zhǎng)度應(yīng)滿足以下要求:(4-27)式中:L——液壓缸的最大工作行程(m);

D——缸體內(nèi)徑(m)?；钊膶挾纫话闳=(0.6~1.0)D。導(dǎo)向套滑動(dòng)面的長(zhǎng)度A,在D<80mm時(shí)取(0.6~1.0)D;在D>80mm時(shí)取(0.6~1.0)d。為保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度,過(guò)分增大A和B都是不適宜的,必要時(shí)可在導(dǎo)向套與活塞之間裝一隔套(圖中零件K)。隔套的長(zhǎng)度C由需要的最小導(dǎo)向長(zhǎng)度H決定,即(4-28)采用隔套不僅能保證最小導(dǎo)向長(zhǎng)度,而且可以改善導(dǎo)向套及活塞的通用性。

3.結(jié)構(gòu)強(qiáng)度計(jì)算與穩(wěn)定性校核

1)缸體壁厚在中、低壓機(jī)床液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中,缸體壁厚的強(qiáng)度問(wèn)題是次要的,缸體壁厚一般由結(jié)構(gòu)、工藝上的需要而定。只有在壓力較高和直徑較大時(shí),才有必要校核缸壁最薄處的壁厚強(qiáng)度。當(dāng)缸體壁厚δ與內(nèi)徑D之比值小于0.1時(shí),稱為薄壁缸體。薄壁缸體的壁厚按材料力學(xué)中薄壁圓筒計(jì)算公式進(jìn)行校核:(4-29)式中:δ——缸體壁厚(m);

p——液壓缸的最大工作壓力(Pa);

D——缸體內(nèi)徑(m);［σ］——缸體材料的許用應(yīng)力(Pa)。部分缸體材料的許用應(yīng)力［σ］列舉如下：鑄鋼:［σ］=(1000~1100)×105(Pa)

鍛鋼:［σ］=(1000~1200)×105(Pa)無(wú)縫鋼管:［σ］=(1000~1100)×105(Pa)鑄鐵:［σ］=(600~700)×105(Pa)當(dāng)缸體壁厚δ與內(nèi)徑D之比值大于0.1時(shí),稱為厚壁缸體。通常按材料力學(xué)中第二強(qiáng)度理論計(jì)算厚壁缸體的壁厚:(4-30)

2)缸體外徑液壓缸的內(nèi)徑確定之后,再按式(4-29)或式(4－30)得出缸體壁厚,然后便可由下式求出缸體的外徑:(4-31)再將其圓整為標(biāo)準(zhǔn)值。若缸體材料為無(wú)縫鋼管,則外徑不需加工,只要將計(jì)算值圓整為無(wú)縫鋼管外徑即可。

3)缸底壁厚缸底為平底時(shí),可由材料力學(xué)中的圓盤(pán)計(jì)算公式導(dǎo)出缸底壁厚的計(jì)算公式。如圖4-25所示,(a)圖為平底,(b)圖為平底有孔。圖4-25缸底的不同結(jié)構(gòu)當(dāng)缸底為平底時(shí),其缸底壁厚為(4-32)當(dāng)缸底為平底且有孔時(shí),其缸底壁厚為(4-33)式中:D2——缸底內(nèi)徑(m);［σ］——缸底材料的許用應(yīng)力(Pa);

p——液壓缸的最大工作壓力(Pa);

dk——缸底小孔直徑(m)。當(dāng)缸底為如圖4-27(c)所示的球形時(shí),其缸底壁厚為(4-34)

4)液壓缸的穩(wěn)定性和活塞桿強(qiáng)度驗(yàn)算按速比要求初步確定活塞桿直徑后,還必須滿足液壓缸的穩(wěn)定性及其本身的強(qiáng)度要求。一般,短行程液壓缸在軸向力作用下仍能保持原有的直線狀態(tài)下的平衡,故可視為單純受壓或受拉直桿。但實(shí)際上液壓缸并非單一的直桿,而是缸體、活塞和活塞桿的組合體。由于活塞與缸體之間以及活塞桿與導(dǎo)向套之間均有配合間隙,加之缸的自重及負(fù)荷偏心等原因,都將使液壓缸在軸向壓縮的工作情況下產(chǎn)生縱向彎曲(如圖4-26所示),因此,對(duì)于長(zhǎng)徑比(液壓缸最大安裝長(zhǎng)度與活塞桿直徑之比)l/d>10的液壓缸,其受力情況已不再屬于單純受壓桿,而必須同時(shí)考慮縱向彎曲。圖4-26液壓缸縱向彎曲示意圖*(1)液壓缸穩(wěn)定性驗(yàn)算。根據(jù)材料力學(xué)關(guān)于壓桿穩(wěn)定性的理論,一根受壓直桿,在其軸向負(fù)載FR超過(guò)穩(wěn)定臨界力(或稱極限力)FK時(shí),即失去原有直線狀態(tài)下的平衡而喪失穩(wěn)定,所以液壓缸的穩(wěn)定條件為(4-35)式中:F——液壓缸的最大推力,F=FR(N);

FK——液壓缸穩(wěn)定臨界力(N);

nK——穩(wěn)定性安全系數(shù),一般取nK=2~4。當(dāng)λ

>λ1時(shí),可由歐拉公式計(jì)算：(4-36)式中:λ——活塞桿的柔性系數(shù);

μ——長(zhǎng)度折算系數(shù),取決于液壓缸的支承狀況,見(jiàn)表4-4;

l——活塞桿計(jì)算長(zhǎng)度,即液壓缸安裝長(zhǎng)度(m),見(jiàn)表4-4;

E——活塞桿材料的縱向彈性模數(shù)(Pa),對(duì)硬鋼,取E=20.59×1010(Pa);

I——活塞桿斷面的最小慣性矩;

r——活塞桿斷面的回轉(zhuǎn)半徑,r=

(m),其中A為斷面面積(m2)。對(duì)于圓斷面實(shí)心桿,r=d/4;

λ1——柔性系數(shù),由表4-5選取。當(dāng)λ1>λ